Ответы к зачету по Деревянным конструкциям. Структура древесины, её влияние на прочность и деформативность материала

• Название: Структура древесины, её влияние на прочность и деформативность материала
• Анкор: Ответы к зачету по Деревянным конструкциям
• Дата: 02.05.2022
• Размер: 5.2 Mb.
• Имя файла: Otvety_k_zachetu_po_DK (1).docx
• Тип: Документы; #507197
• страница: 1 из 5

1. 
   Структура древесины, её влияние на прочность и деформативность материала.
   

Древесина – легкий строительный материал, в основном используется сосна и ель. В конструкции влажность составляет от 8-12%. Если влажность больше, то растрескивание, влага перераспределяется. - объёмный вес древесины. W=80…100%, - свежесрубленной древесины. Влажносплавная древесина W=200%.

ДК-сооружения или их части, несущие нагрузку и выполненные целиком или частично из дерева.

Это макропористый материал, тепло проводит плохо, малотвердый, хорошо выдерживает сейсмические и циклические нагрузки. Радиопрозрачена. Древесина надежно склеивается синтетическими клеями.

Структура и состав:

Основные срезы древесины.



Ширина годичных колец не более 5 мм. ДК имеют большой предел огнестойкости. (больше, чем мк) Древесина состоит из двух видов клеток: прозенхимные, паренхимные.

Прочность древесины придается за счет целлюлозы, которая входит в состав клеток.

От количества влаги в древесине зависят механическая прочность и определяется пригодность для строительных целей.

Особенность строения древесины – совокупность волокон, расположенных в основном лишь в одном направлении.

Прочность и деформативность (способность древесины изменять свои размеры и форму под воздействием усилий) зависят от направления действия усилий и деформаций по отношению к волокнам; от длительности действия нагрузки влажности древесины. Вдоль волокон модуль упругости Е больше; при растяжении нормативное сопротивление Ru (вдоль волокон) больше, чем при изгибе и при сжатии.



Деревянные строительные конструкции в основном изготавливаются из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница). На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части рис.: под корой расположен тонкий слой камбия, отлагающего древесину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. В растущем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2-5 мм. Вся основная древесина, расположенная между тоненьким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся одни от других цветовыми оттенками - внутренняя зона, более темная, называется ядром, а более светлая – заболонью. На поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, окружающие сердцевину. Древесина состоит из клеток двух видов - прозенхимных и паренхимных. Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К прозенхимным клеткам относятся трахеиды - полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Основными элементами древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины. Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по сердцевинным лучам происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные вещества. Трахеиды хвойных пород выполняют не только свойственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя обладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки и малые полости. На основе современных исследований установлено, что стенки клеток трахеид представляют собой слоистую оболочку. В стенке каждой нормальной трахеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значительно более толстую вторичную оболочку S, состоящую из наружного слоя Sb среднего слоя S2 и внутреннего слоя S 3. Каждый слой оболочки трахеид состоит из микрофибрилл, основой которых является кристаллическая целлюлоза, инкрустированная матриксом аморфных или паращшсталлических полимеров, стабилизирующих структуру микрофибрилл. В составе стенки клетки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивается в основном целлюлозными микрофибриллами, то лигнин придает оболочке прочность на сжатие. В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в основном многочисленные сердцевинные лучи. Они узкие, преимущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лучи со смоляным горизонтальным ходом посередине. У сосны, ели и лиственницы, кроме паренхимных клеток, лучи содержат трахеиды.

2. 
   Конструктивные и химические меры борьбы с гниением и пожарной опасностью.
   

Гниение и защита деревянных конструкций от гниения

Гниение – это разрушение древесины простейшими растительными организмами – дереворазрушающими грибками. Некоторые грибы поражают еще растущие и высыхающие деревья в лесу. Складские грибы разрушают лесоматериал во время хранения их на складах. Домовые грибы – разрушают древесину строительных конструкций в процессе эксплуатации. Грибы развиваются из клеток – спор, которые легко переносятся движением воздуха. Прирастая, споры образуют плодовое тело и грибницу гриба – источник новых спор.

Защита от гниения

1. Стерилизация древесины в процессе высокотемпературной сушки. Прогрев древесины при t > 80^оС, что приводит к гибели спор грибов, грибниц и плодовых тел гриба.

2. Конструктивная защита предполагает режим эксплуатации, когда влажность древесины W<20% (наименьшая влажность при которой могут расти грибы).

2.1. Защита древесины от атмосферной влаги – гидроизоляция покрытий, необходимый уклон кровли.

2.2. Защита от конденсационной влаги – пароизоляция, проветривание конструкций (осушающие продухи).

2.3. Защита от увлажнения капиллярной влагой (от земли) – устройство гидроизоляции. Деревянные конструкции должны опираться на фундамент (с битумной или рубероидной изоляцией) выше уровня грунта или пола минимум на 15 см.

3. Химическая защита от гниения необходима, когда увлажнение древесины неизбежно. Химическая защита заключается в пропитке ядовитыми для грибов веществами – антисептиками.

Водорастворимые антисептики (фтористый, кремнефтористый натрий) – это вещества, не имеющие ни цвета, ни запаха, безвредные для людей. Используются в закрытых помещениях.

Маслянистые антисептики – это минеральные масла (каменноугольное, антросценовое, сланцевое, древесный креозот и др.). Они не растворяются в воде, но вредны для человека, поэтому используются для конструкций на открытом воздухе, в земле, над водой.

Пропитка выполняется в автоклавах под высоким давлением (до 14 МПа).

Защита от жуков точильщиков – нагрев до t>80oC или окуривание ядовитыми газами типа гексахлорана.

Горение и защита деревянных конструкций от возгорания

Характеризуется пределом огнестойкости (порядка 40 мин. для бруса 17 х 17 см, нагруженного до напряжения 10 МПа.).

Защита

1. Конструктивная. Ликвидация условий, благоприятных для возгораний.

2. Химическая (противопожарная пропитка или окраска). Пропитывают веществами, которые называются антипиренами (например, аммонийная соль, фосфорная и серная кислота). Пропитку выполняют в автоклавах одновременно с антисептированием. При нагреве антипирены расплавляются, образуя огнезащитную пленку. Защитная окраска выполняется составами на основе жидкого стекла, суперфтора и т.д.

3. Длительное сопротивление древесины. Зависимость деформаций от длительного действия нагрузки.

Длительное сопротивление древесины R∂л - это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается, как бы долго нагрузка не действовала.



Асимптота делит весь диапазон изменения нагрузки на две части: область ниже асимптоты  , в которой разрушение не произойдет, как бы долго нагрузка не действовала, и область  , где разрушение с течением времени неизбежно.

Длительное сопротивление древесины вычисляется умножением предела прочности на коэффициент длительности, который равен отношению предела длительного сопротивления к пределу прочности. По результатам опытных данных коэффициент длительности принимается за 0,5-0,6.

При неограниченно длительном нагружении прочность древесины характеризуется пределом длительного сопротивления, который составляет 50 % предела прочности при стандартном нагружении. Наибольшую прочность, в 1,5…2 раза превышающую кратковременную, древесина показывает при кратчайших ударных и взрывных нагрузках. Это обстоятельство учитывается введением коэффициентов к расчетному сопротивлению и модулю упругости:

mд < 1 – когда длительно действующие нагрузки составляют более 80% суммарных.

mн > 1 – при учете кратковременных воздействий.

Длительное сопротивление древесины оказывается действительным показателем ее прочности.

При строительстве деревянных конструкций следует учитывать, что фактически на конструкции действуют несколько видов нагрузки:

• 
  длительная нагрузка (собственный вес деревянных элементов);
  
• 
  ограниченно длительные нагрузки (снег);
  
• 
  кратковременные нагрузки (ветер).
  

Предел прочности древесины изменяется от предела длительного сопротивления древесины до предела сопротивления при стандартной скорости нагрузки (основных кратковременных нагрузок).

При длительном действии неизменной нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются. Если задать древесине неизменную во времени деформацию, то напряжения с течением времени уменьшаются - релаксируют, а деформация не меняется.



Под действием постоянной нагрузки, непосредственно после её приложения, в древесине проявляются упругие деформации. С течением времени начинают развиваться эластические и остаточные деформации, которые носят затухающий характер, т.е. древесина обладает свойством ползучести, а ее полная деформация трехкомпонентна: . После снятия нагрузки упругие деформации исчезают сразу, эластические - со временем, а остаточные являются необратимой частью полной деформации.

Если нагрузка превысила определенный предел, то деформации в деревянном элементе возрастают до разрушения образца. Этот предел называется пределом длительного сопротивления древесины, он соответствует максимальному напряжению, которое не вызывает разрушения образца при любой длительности действия нагрузки.

4.Влажность древесины, её влияние на прочность и деформативность. Классификация древесины по влажности. Усушка и набухание, их влияние на напряжённо-деформированное состояние древесины.

Влажность - свойство древесины, характеризующееся содержанием влаги в древесине. Влажность древесины существенно влияет на ее физические и механические свойства, а в ряде случаев определяет ее пригодность для тех или иных строительных целей. Наличие влаги связано с ростом дерева. Влажность древесины срубленного дерева и неверные условия хранения являются причинами ее гниения.


В зависимости от степени влажности древесина делится на:

• 
  мокрую — длительное время находившуюся в воде, ее влажность выше 100%;
  
• 
  свежесрубленную — влажность 50—100%;
  
• 
  воздушно-сухую — долгое время хранившуюся на воздухе, влажность 15—20%;
  
• 
  комнатно-сухую — влажность 8—12%;
  
• 
  абсолютно сухую — влажность 0%.
  

Влага оказывает влияние на различные свойства древесины. Так, усушка и разбухание древесины происходят при изменении ее влажности. С увеличением влажности уменьшается прочность древесины. Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). А электропроводность древесины, наоборот, значительно повышается при насыщении ее влагой. При полном удалении влаги из деревянных изделий (усушке) может произойти их растрескивание и потеря формы.

В качестве защитных мероприятий, предупреждающих негативное влияние влаги, древесину пропитывают антисептиками, а изделия из нее покрывают лаками, красками, тонкими полимерными пленками.

При повышении влажности от 0 до точки насыщения волокон (до 30%) её прочность уменьшается, деформативность увеличивается, а модуль упругости снижается. На ударную прочность древесины и на прочность при растяжении вдоль волокон влажность влияет меньше. В других случаях влияние влажности велико: при её уменьшении на 1% прочность меняется на 3-5%. Повышение влажности свыше точки насыщения волокон не приводит к дальнейшему снижению прочности.

Для сравнения прочности древесины все показатели прочности приводят к одной стандартной влажности 12%. Приведение к стандартной влажности производят по следующей формуле:

R₁₂=R_W×(1+k×(W-12))

R_W – предел прочности при влажности в момент испытания;

R₁₂ – стандартная влажность;

W - влажность в момент испытания;

k – коэффициент, зависящий от вида деформирования (изгиб, скалывание).

При сжатии k=0,05;

При изгибе k=0,04;

При скалывании k=0,03.

Эта формула действительна в пределах изменения влажности от 8 до 23 %.

Влажность определяется взвешиванием образцов до и после высушивания или с помощью электромера. Модуль упругости так же необходимо приводить к стандартной влажности.

E₁₂=E_W×(1+0,02×(W-12%))

СНиП рекомендует уменьшать расчётное сопротивление и модуль упругости при увлажнении древесины при кратковременном и длительном.

E×m_в при кратковременном m_в=0,85;

E×m_в при длительном m_в= 0,75.

В зависимости от влажности древесины лес делят на сырой W>25%, полусырой 18%≤W≤25%, и воздушный 12%≤W≤18%. g=600кг/м³, g=555кг/м³.

Под усушкой древесины понимается уменьшение линейных размеров и объёма древесины в результате удаления связанной влаги (заполняет субмикрокапилляры клеточных стенок). Зависит усушка от следующих факторов:

• 
  породы древесины (неодина­ковое строение древесины);
  
• 
  плотности древесины (с большей плотностью усушка больше);
  
• 
  количества удаленной влаги. При испарении максималь­ного количества связанной влаги (от 30% до 0) происхо­дит полная усушка, части влаги— частичная;
  
• 
  структурного направления.
  

Усушка по разным направле­ниям неодинакова. Любая клетка в поперечном сечение усыхает больше, чем вдоль оси. Это связано с тем, что фибриллы в клеточной стенке расположены преимущественно вдоль оси клетки, поэтому при удалении связанной влаги, заполняющей субмикрокапилляры, размеры клетки в радиальном и тангенциальном направлениях изменяются больше, чем вдоль волокон.

Усушка в тангентальном направлении от 1,5 до 2,0 раз больше чем в радиальном. В среднем полная линейная усушка в тангентальном направлении составляет от 6 до 10%, в радиальном от 3 до 5%, вдоль волокон от 0,1 до 0,3% и объемная от 12 до 15%.

Показателем усушки является коэффициент усушки, который показывает величину усушки древесины при удалении из неё 1% связанной влаги.

Набухание – процесс увеличения линейных размеров и объема при поглощении древесиной связанной влаги (влажность от 0 до 30%).

Разбухание вызвано тем, что молекулы воды проникают в клеточные стенки и раздвигают целлюлозные фибриллы. При разбухании древесина оказывает давление до 30 атмосфер. В целом процесс разбухания является обратным процессу усушки и подчиняется тем же закономерностям, т.е. древесина незначительно разбухает вдоль волокон, более заметно в радиальном направлении и наибольшее разбухание наблюдается в тангентальном направлении. На практике разбухание проявляется при использовании пересушенной древесины, или когда древесина в процессе эксплуатации подвергается периодическому увлажнению (сезонные колебания влажности).

Разбухание обусловлено влаго- и водопоглощением древесины. 

Влагопоглощение – способность поглощать влагу из окружающей среды. 

Водопоглощение – способность поглощать воду при контакте с жидкостью. Для уменьшения этих свойств древесины используют обработку материала гидроизолирующими или гидрофобизирующими составами.  

Набухание высокомолекулярного, вещества может привести к возникновению значительного давления, если что-нибудь препятствует увеличению объема образца, например, при набухании древесины в воде может развиваться давление в десятки атмосфер. Это давление настолько велико, что в древние времена это явление использовали для дробления скал: в трещины скалы забивали деревянные клинья и затем заливали воду, клинья набухали в воде, стремились увеличить свои размеры и тем самым создавали давление, разрушающее скалу.

5. Определение временного, нормативного и расчетного сопротивления древесины при сжатии.

Нормативное сопротивление древесины (МПа) является основной характеристикой прочности древесины чистых от пороков участков. Эта величина определяется по результатам многочисленных лабораторных кратковременных испытаний малых стандартных образцов сухой древесины влажностью 12% на растяжение, сжатие, изгиб, смятие и скалывание.

Статическая обработка таких испытаний позволяет определить нормативное сопротивление, для которого доверительная вероятность установлена не ниже 0,95. Это значит из 100% отобранных образцов не менее 95% должны иметь прочность, большую нормативного сопротивления или равную ему.

Расчётное сопротивление древесины   - это основная характеристика прочности реальной древесины, т.к. древесина имеет естественные допускаемые пороки (которых не бывает в лабораторных образцах) и работает под нагрузками в течение многих лет.

Расчётное сопротивление древесины получают путём деления нормативных значений сопротивления на коэффициенты надёжности.





Расчетные сопротивления древесины - это те напряжения в сечениях деревянных элементов от действия расчетных нагрузок, которые древесина может выдерживать как угодно долгое время. Они имеют разные значения при действии различных нагрузок, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, смятие или скалывание. В расчетных сопротивлениях учтены снижения прочности Древесины и в результате длительного действия нагрузок и в результате неоднородности ее строения. Они получены из величин нормативных сопротивлений путем умножения их на коэффициент длительного сопротивления и коэффициент однородности, меньшие единицы.
Для сжатия и изгиба расчетные сопротивления равны R_с =R_н=130 кГ/см², для растяжения R_р=100кГ/см2 для скалывания - R_cм = 24 кГ/см² и для общего смятия поперек волокон - R_CM= 18 кГ/см². Основные расчетные сопротивления древесины временных конструкций, где время влияет не так сильно, выше, чем постоянных.

На работу древесины деревянных конструкций влияет целый ряд условий. Они учитываются специальными коэффициентами, указанными в нормах, на которые умножаются основные расчетные сопротивления. Если вместо обычных сосны и ели конструкции делаются из древесины других пород, их расчетное сопротивление умножается на коэффициенты породы, большие или меньшие единицы. Длительное или периодическое кратковременное увлажнение деревянных конструкций приводит к снижению расчетных сопротивлений.

Уменьшаются прочность и расчетные сопротивления также при длительном нагреве выше 35° в помещениях, где выделяется много тепла. Если деревянные конструкции более чем на 80% несут постоянную нагрузку, они работают в более тяжелых условиях и расчетные сопротивления их древесины снижаются. Снижаются также расчетные сопротивления при изготовлении гнутых конструкций из досок, в зависимости от отношения их толщины к радиусу изгиба. Кратковременно действующие нагрузки, ветровые и сейсмические выдерживаются древесиной лучше, чем длительные, и расчетное сопротивление древесины при этом повышается. Аналогичные изменения при этих же условиях вводятся также в величину модуля упругости древесины 


При нагружении образцы деформируются - размеры их изменяются. При сжатии они укорачиваются: сначала пропорционально нагрузке, затем быстрее и быстрее. При разрушении относительное укорочение достигает 5%. При растяжении образцы удлиняются почти пропорционально Нагрузке вплоть до разрушения. Удлинение их достигает 8% и более.
Нормативные сопротивлений R_H - это наименьшие вероятные пределы прочности образцов древесины. При сжатии древесины сосны это 300 кГ/см², при изгибе - 500 кГ/см², при растяжении - 550 кГ/см².

Величины нормативных сопротивлений древесины необходимы при изготовлении деревянных конструкций. Только та древесина, образцы которой показали прочность не ниже этих нормативных сопротивлений, пригодна для производства деревянных конструкций. Обычно для этого достаточно провести простейшие испытания» на сжатие. Величины нормативных сопротивлений относятся к сухой древесине стандартной влажностью 15%.

Если испытанные образцы имели другую влажность, полученное нормативное сопротивление по специальной формуле пересчитывается на стандартную влажность.
При проектировании деревянных конструкций нужно знать расчетные сопротивления древесины, прочность реальных деревянных бревен и брусьев, из которых делаются эти конструкции. Их прочность намного ниже, чем нормативное сопротивление малых чистых лабораторных образцов.
Прочность древесины под многолетней реальной нагрузкой гораздо меньше, чем при быстром нагружении. Деревянный элемент может выдерживать как угодно долго не более 0,67% кратковременной разрушающей нагрузки. На эту величину, называемую коэффициентом длительности, нужно снижать нормативные сопротивления для перехода к расчетным.
Реальные брусья и доски, из которых делаются деревянные конструкции, даже короткое время не могут выдерживать такие напряжения, как лабораторные образцы. Строение древесины крупных элементов неоднородно, в ней неизбежны пороки - сучки, трещины, косослои и каждый из них уменьшает среднюю прочность древесины. Неоднородность строения меньше влияет на прочность при сжатии и изгибе и больше всего - на прочность при растяжении. Величина снижения прочности древесины в результате дефектов ее строения учитывается коэффициентами однородности. Они получены из многочисленных испытаний и равны для сжатия 0,65, для изгиба 0,40, а для растяжения меньше, всего - 0,27.

6. Работа элементов цельного сечения из дерева на центральное сжатие. Расчет элементов цельного сечения из дерева на центральное сжатие.
Расчетцентрального растяжения растянутых деревянных элементов производится с учетом имеющихся ослаблений сечения от отверстий, врезок и врубок. Ослабления считаются совмещенными в одном сечении, если они расположены в пределах 20 см по длине элемента. Опыты показывают, что прочность растянутых стержней снижается дополнительно вследствие концентрации напряжений в местах ослаблений. Это обстоятельство учитывается пониженной для этого случая величиной расчетного сопротивления.

 

Расчет производится по формуле (1):



где N - расчетная растягивающая сила;

      R_p - расчетное сопротивление растяжению;

      F_НТ - ослабленная площадь сечения.